第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)介紹課件

第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.1概

述7.2微電子封裝的作用7.3現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的分類7.4插裝元器件封裝技術(shù)7.5表面組裝元器件封裝技術(shù)7.6球柵陣列封裝技術(shù)（BGA）7.7芯片尺寸封裝技術(shù)（CSP）7.8其它現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.9

微電子封裝技術(shù)的現(xiàn)狀第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.1概述7.1現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)概述7.1.1現(xiàn)代微電子封裝基本概念

在現(xiàn)代微電子器件制作過程中，有前道工序和后道工序之分，二者以硅圓片切分成芯片為界，在此之前為前道工序，之后為后道工序。

電子封裝（packaging）通常是在后道工序中完成的，其定義為：利用膜技術(shù)和微連接技術(shù)，將微電子器件及其它構(gòu)成要素在框架或基板上布置、固定及連接、引出接線端子，并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝。7.1現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)概述7.1.1現(xiàn)代微電子封裝基本1958年發(fā)明的第一塊集成電路，含有2個晶體管和1個電阻，掀開了微電子封裝的歷史篇章。1958年發(fā)明的第一塊集成電路，含有2個晶體管和1個電阻，掀7.1.2現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的發(fā)展歷程近50年來，封裝技術(shù)日新月異，先后經(jīng)歷了4次重大發(fā)展：20世紀(jì)70年代，為適應(yīng)中、大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，發(fā)展了雙列直插式引線封裝技術(shù)(DIP)；20世紀(jì)80年代，隨著SMC/SMD的批量生產(chǎn)，發(fā)展了表面組裝技術(shù)(SMT)；20世紀(jì)90年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，發(fā)展了球柵陣列為代表的封裝技術(shù)(BGA)；

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著多芯片組件(MCM)的開發(fā)應(yīng)用，產(chǎn)生了以系統(tǒng)封裝(SIP)為代表的最新一代封裝形式，把半導(dǎo)體封裝技術(shù)引人一個全新的時代。7.1.2現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的發(fā)展歷程近50年來，微電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢微電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢表7-l半導(dǎo)體微電子封裝技術(shù)的進(jìn)展七十年代八十年代九十年代2000年2005年芯片連接WB(絲焊)WBWBFC(倒裝焊)FC裝配方式DIPSMTBGA-SMTBGA-SMTBGA-SMT無源元件C-分立C-分立C-分立C-分立組合集成基板有機有機有機DCA基板SLIM封裝層次333ll元件類型數(shù)5-105-105-105-101硅效率％(芯片占基板)面積比271025>75表7-l半導(dǎo)體微電子封裝技術(shù)的進(jìn)展七十年代八十年代九十7.2現(xiàn)代微電子封裝的作用7.2.1微電子封裝技術(shù)的重要性

封裝的IC有諸多好處，如可對脆弱敏感的IC芯片加以保護，易于進(jìn)行測試，易于傳送，易于返工及返修，引腳便于實行標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)而適于裝配，還可改善IC的熱失配，等。

隨著整機和系統(tǒng)的小型化、高性能、高密度和高可靠性要求，電子封裝對系統(tǒng)的影響已變得和芯片一樣重要。封裝成本在器件總成本中所占的比重也越來越高，并有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。7.2現(xiàn)代微電子封裝的作用7.2.1微電子封裝技術(shù)的重要性7.2.2封裝的功能

微電子封裝通常有5種功能：電源分配、信號分配、散熱通道、機械支撐和保護作用。（1）電源分配

電子封裝首先要能接通電源，使芯片與電路流通電流。其次，電子封裝的不同部位所需的電源有所不同，要能將不同部位的電源分配恰當(dāng)以減少電源的不必要損耗，這在多層布線基板上更為重要。同時還要考慮接地線分配問題。7.2.2封裝的功能（2）信號分配為使電信號延遲盡可能減小，在布線時應(yīng)盡可能使信號線與芯片的互連路徑及通過封裝的I/O引出的路徑達(dá)到最短，對于高頻信號還應(yīng)考慮信號間的串?dāng)_以進(jìn)行合理的信號分配布線。（3）散熱通道各種電子封裝都要考慮器件、部件長期工作時如何將聚集的熱量散出問題。不同的封裝結(jié)構(gòu)和材料具有不同的散熱效果，對于功耗大的電子封裝還應(yīng)考慮附加熱沉或使用強制風(fēng)冷、水冷方式，以達(dá)到在使用溫度要求的范圍內(nèi)系統(tǒng)能正常工作。（2）信號分配(4)機械支撐電子封裝可為芯片和其他部件提供牢固可靠的機械支撐，還能在各種工作環(huán)境和條件變化時與之相匹配。(5)保護作用半導(dǎo)體芯片制造出來，在沒有將其封裝之前，始終都處于周圍環(huán)境的威脅之中。在使用中，有的環(huán)境條件極為惡劣，更需要對芯片嚴(yán)加保護。完成電子封裝以后，提供了對芯片的保護，這對芯片來說顯得尤為重要。(4)機械支撐7.3現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的分類7.3.1封裝分級7.3現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的分類7.3.1封裝分級7.3.2封裝分類

按安裝到PCB上的方式分為通孔插裝和表面組裝兩大類型7.3.2封裝分類7.4插裝元器件的封裝技術(shù)7.4.1概述

插裝元器件按外形結(jié)構(gòu)分類，有圓柱形外殼封裝(TO)、矩形單列直插式引線封裝(SIP)、雙列直插式引線封裝(DIP)和陣列網(wǎng)格引腳封裝(PGA)等。這些封裝的外形不斷縮小，又形成各種小外形封裝。插裝元器件按材料分類，有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝等。各類插裝元器件封裝的引腳中心距多為2.54mm，DIP已形成4～64個引腳的系列化產(chǎn)品。PGA能適應(yīng)LSI芯片封裝的要求，I/O數(shù)列達(dá)數(shù)百個。7.4插裝元器件的封裝技術(shù)7.4.1概述7.4.2SIP和DIP的封裝技術(shù)

單列直插式封裝（SIP），其引腳數(shù)為2～23個，引腳從一個側(cè)面引出，排列成一條直線。其中鋸齒型單列直插式封裝(ZIP)的管腳排列成鋸齒型，可提高管腳密度。雙列直插式封裝（DIP），其引腳數(shù)一般不超過100個，引腳從一個側(cè)面引出，并排列成兩條直線。

SIP、DIP引腳需要插入PCB的通孔內(nèi)進(jìn)行釬焊，其釬焊方法見第3章。當(dāng)裝配到PCB上時呈側(cè)立狀，故其所占的空間相對較大。7.4.2SIP和DIP的封裝技術(shù)DIP封裝的8086處理器DIP封裝的主板BIOS芯片DIP封裝的8086處理器DIP封裝的主板BIOS芯片7.4.3PGA的封裝技術(shù)陣列網(wǎng)格引腳封裝（PGA），在其底面的垂直引腳呈陣列狀排列，既可采用通孔插裝，也可采用表面貼裝。通孔插裝型PGA引腳長3～4mm，表面貼裝型PGA引腳長1.5～2mm。PGA基板多數(shù)是陶瓷，少數(shù)為環(huán)氧樹脂或塑料基板。通常，引腳中心距為2.54mm，引腳數(shù)64～447。還有一種引腳中心距為1.27mm的短引腳表面貼裝型PGA，采用碰焊方法進(jìn)行封裝。PGA的特點：（1）插拔操作更方便，可靠性高；（2）可適應(yīng)更高的頻率。7.4.3PGA的封裝技術(shù)圖7-6PGA封裝示意圖圖7-6PGA封裝示意圖7.5表面組裝元器件的封裝技術(shù)7.5.1

概述

表面組裝元器件(SMC或SMD)是SMT的基礎(chǔ)。20世紀(jì)50～60年代，出現(xiàn)了厚、薄膜混合集成電路（HIC）的安裝。對于一個復(fù)雜電子線路，難以制作大面積的平整陶瓷基板，往往采用多塊HIC的陶瓷基板安裝片式電阻、電感及晶體管、IC芯片，再拼裝成大塊的基板，這就使HIC的體積、重量、成本、可靠性及生產(chǎn)效率受到很大限制。

20世紀(jì)60年代，荷蘭菲利普公司研制出紐扣狀I(lǐng)C，其引腳分布在封裝體的兩邊并呈海鷗翼狀，引腳中心距為1.27mm時可達(dá)28～32只引腳，他們采用表面安裝方式生產(chǎn)電子表。這種封裝結(jié)構(gòu)后來發(fā)展成為小外形封裝

IC(SOP)。7.5表面組裝元器件的封裝技術(shù)7.5.1

概述7.5.2

主要SMD的封裝技術(shù)1、

SOP/SOIC封裝

SOP即小外形封裝，以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外形集成電路）等。7.5.2

主要SMD的封裝技術(shù)2.芯片載體封裝

芯片載體(chipcarrier)或quad的封裝，四邊都有管腳，對高引腳數(shù)器件來說是較好的選擇。如LCC(leadchipcarrier)，LLCC(leadlesschipcarrier)用于區(qū)分管腳類型。PLCC(plasticleadedchipcarrier)是最常見的塑料四邊封裝。2.芯片載體封裝3.四側(cè)引腳扁平封裝

四側(cè)引腳扁平封裝（QFP），或稱為四方扁平封裝，引腳從四個側(cè)面引出呈海鷗翼狀或J型等。該技術(shù)實現(xiàn)的CPU芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般都在100以上。3.四側(cè)引腳扁平封裝QFP封裝具有以下特點：（1）封裝CPU時操作方便，可靠性高；（2）封裝外形尺寸較小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應(yīng)用；（3）適合用SMT表面組裝技術(shù)在PCB上安裝布線QFP封裝具有以下特點：7.6球柵陣列封裝技術(shù)(BGA)7.6.1

BGA的基本概念、特點和封裝類型

BGA封裝方式是在管殼底面或上表面焊有許多球狀凸點，通過這些焊料凸點實現(xiàn)封裝體與基板之間互連的一種先進(jìn)封裝技術(shù)。7.6球柵陣列封裝技術(shù)(BGA)7.6.1

BGA的基BGA封裝具有以下特點：

（1）I/O數(shù)較多；（2）提高貼裝成品率，降低成本；

（3）BGA陣列焊球與基板的接觸面大、短，有利于散熱；

（4）BGA陣列焊球的引腳很短，縮短了信號的傳輸路徑，減小引線電感、電阻，改善了電路的性能；

（5）明顯地改善了I/O端的共面性，極大地減小了組裝過程中因共面性差而引起的損耗

；（6）BGA適用于MCM封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)MCM的高密度、高性能；

（7）BGA和μBGA都比細(xì)節(jié)距的腳形封裝的IC牢固可靠。BGA封裝具有以下特點：BGA封裝技術(shù)又可分為5大類：

（1）PBGA（plasticBGA）基板：一般為2～4層有機材料構(gòu)成的多層板（Intel系列CPU中，PentiumII，III，IV處理器均采用這種封裝形式）（2）CBGA（ceramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（FlipChip，簡稱FC）的安裝方式（Intel系列CPU中，PentiumII，III，IV處理器均采用這種封裝形式）；（3）FCBGA（flipchipBGA）基板：硬質(zhì)多層基板；

（4）TBGA（tapeBGA）基板：基板為帶狀軟質(zhì)的1-2層PCB電路板；

（5）CDPBGA（caritydownPBGA）基板：指封裝中央有方形低陷的芯片區(qū)（又稱空腔區(qū)）。

BGA封裝技術(shù)又可分為5大類：7.6.2

BGA的封裝技術(shù)BGA主要結(jié)構(gòu)分為三部分：主體基板、芯片和封裝7.6.2

BGA的封裝技術(shù)BGA主要結(jié)構(gòu)分為三部分：主體7.7芯片尺寸封裝技術(shù)（CSP）芯片尺寸封裝技術(shù)CSP(chipsizepackage)，它減小了芯片封裝外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封裝尺寸就有多大。封裝后的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍，IC面積只比晶粒尺寸不超過1.4倍。CSP封裝具有以下特點：

（1）組裝面積小，約為相同引腳數(shù)QFP的1/4；

（2）高度小，可達(dá)1mm；

（3）易于貼裝，球中心距為0.8mm和1mm時，貼裝公差≤±0.3mm；

（4）電性能好、阻抗低、干擾小、噪聲低、屏蔽效果好；

（5）高導(dǎo)熱性。7.7芯片尺寸封裝技術(shù)（CSP）芯片尺寸封裝技術(shù)C圖7-14CSP與QFP、BGA的外形比較圖7-14CSP與QFP、BGA的外形比較CSP封裝可分為四類：

（1）LeadFrameType(傳統(tǒng)導(dǎo)線架形式)，引線框架式CSP是由日本的Fujitsu公司研制開發(fā)的一種芯片上引線的封裝形式,因此也被稱之為LOC(LeadOnChip)形CSP。通常情況下分為Tape-LOC型和MF-LOC型(Multi-frame-LOC)兩種形式,其基本結(jié)構(gòu)如圖7-14所示。CSP封裝可分為四類：（2）剛性基板封裝（RigidSubstrateInterposer）由日本Toshiba公司開發(fā)的這類CSP封裝,實際上是一種陶瓷基板薄型封裝。它主要由芯片、氧化鋁基板、銅（Au）凸點和樹脂構(gòu)成。通過倒裝焊、樹脂填充和打印3個步驟完成。它的封裝效率（芯片與基板面積之比）可達(dá)到75％，是相同尺寸的

TQFP的2.5倍。（3）柔性基板封裝（FlexCircuitInterposer）由美國Tessera公司開發(fā)的這類CSP封裝的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由IC芯片、載帶（柔性體）、粘接層、凸點（銅/鎳）等構(gòu)成。載帶是用聚酰亞胺和銅箔組成。它的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，安裝方便，可利用原有的TAB（TapeAutomatedBonding）設(shè)備焊接。（2）剛性基板封裝（RigidSubstrateInte（4）圓片級CSP封裝（Wafer-LevelPackage）由ChipScale公司開發(fā)的此類封裝。它是在圓片前道工序完成后，直接對圓片利用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行后續(xù)組件封裝，利用劃片槽構(gòu)造周邊互連，再切割分離成單個器件。WLP主要包括兩項關(guān)鍵技術(shù)即再分布技術(shù)和凸焊點制作技術(shù)。它有以下特點：①相當(dāng)于裸片大小的小型組件（在最后工序切割分片）；②以圓片為單位的加工成本（圓片成本率同步成本）；③加工精度高（由于圓片的平坦性、精度的穩(wěn)定性）。

（4）圓片級CSP封裝（Wafer-LevelPackag7.8其它現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.8.1

多芯片封裝技術(shù)

為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上用SMD技術(shù)組成多種多樣的電子模塊系統(tǒng)，從而出現(xiàn)MCM(multichipmodel，多芯片模塊系統(tǒng))，它是電路組件功能實現(xiàn)系統(tǒng)級的基礎(chǔ)。7.8其它現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.8.1

多芯片封裝技術(shù)MCM具有以下特點：（1）封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)模塊高速化；

（2）縮小整機/模塊的封裝尺寸和重量；

（3）系統(tǒng)可靠性大大提高。

MCM具有以下特點：7.8.2

圓片級封裝技術(shù)（WaferLevelChipSizePackageTechnology）圓片級封裝技術(shù)是以圓片為加工對象，直接在圓片上同時對眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測試，其封裝的全過程都在圓片生產(chǎn)廠內(nèi)運用芯片的制造設(shè)備完成，使芯片的封裝、老化、測試完全融合在圓片生產(chǎn)流程之中。封裝好的圓片經(jīng)切割所得到的單個IC芯片，可直接貼裝到基板或印制電路板上。7.8.2

圓片級封裝技術(shù)（WaferLevelCh圓片級封裝成本低。第一，它是以批量生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造的；第二，圓片級封裝生產(chǎn)設(shè)施的費用低，因為它充分利用了圓片的制造設(shè)備，無須投資另建封裝生產(chǎn)線；第三，圓片級封裝的芯片設(shè)計和封裝設(shè)計可以統(tǒng)一考慮、同時進(jìn)行，這將提高設(shè)計效率，減少設(shè)計費用；第四，圓片級封裝從芯片制造、封裝到產(chǎn)品發(fā)往用戶的整個過程中，中間環(huán)節(jié)大大減少，周期縮短很多，這必將導(dǎo)致成本的降低。此外，應(yīng)注意圓片級封裝的成本與每個圓片上的芯片數(shù)量密切相關(guān)。圓片上的芯片數(shù)越多，圓片級封裝的成本也越低。圓片級封裝成本低。第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)介紹課件CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC，如內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品。未來則將大量應(yīng)用在信息家電、數(shù)字電視、電子書、無線網(wǎng)絡(luò)、ADSL／手機芯片、藍(lán)牙（Bluetooth）等新興產(chǎn)品中。

CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC，如內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品圓片級封裝主要采用薄膜再分布技術(shù)、凸點技術(shù)等兩大基礎(chǔ)技術(shù)。前者用來把沿芯片周邊分布的鋁焊區(qū)轉(zhuǎn)換為在芯片表面上按平面陣列形式分布的凸點焊區(qū)。后者用于在凸點焊區(qū)上制作凸點，形成焊球陣列。1.薄膜再分布技術(shù)

薄膜再分布技術(shù)是指在IC圓片上，將各個芯片按周邊分布的I/O鋁焊區(qū)，通過薄膜工藝的再布線，變換成整個芯片上的陣列分布焊區(qū)并形成焊料凸點的技術(shù)。圓片級封裝主要采用薄膜再分布技術(shù)、凸點技術(shù)等

薄膜再分布技術(shù)的具體工藝過程比較復(fù)雜，而且隨著IC芯片的不同而有所變化，但一般都包含以下幾個基本的工藝步驟：①在IC圓片上涂復(fù)金屬布線層間介質(zhì)材料；②沉積金屬薄膜并用光刻方法制備金屬導(dǎo)線和所連接的凸點焊區(qū)。IC芯片周邊分布、小至幾十微米的鋁焊區(qū)就轉(zhuǎn)成陣列分布的幾百微米大的凸點焊區(qū)，且鋁焊區(qū)和凸點焊區(qū)之間有金屬導(dǎo)線相連接；③在凸點焊區(qū)沉積UBM(凸點下金屬層)；④在UBM上制作焊料凸點。

薄膜再分布技術(shù)的具體工藝過程比較復(fù)雜，而且隨2.凸點技術(shù)

焊料凸點通常為球形，制備凸點的方法有三種：①應(yīng)用預(yù)制焊球

②絲網(wǎng)印刷

③電化學(xué)沉積(電鍍)2.凸點技術(shù)電鍍焊料凸點工藝流程：StartingPoint；Step1:EvaporationofCr+CuUBM(orTi/W+CuorTi+Cu)蒸發(fā)Cr+CuUBMStep2:Patterningofthickphotoresist涂光刻膠

Step3:Electroplatingofcubump80-100umphotoresist4-6umcu電鍍銅凸點，

80-100um光刻膠,4-6um銅Step4:Electroplatingofsolderbump(Pb/Suorlead-free)電鍍焊料凸點Step5:Removalofphotoresist去除光刻膠

Step6:濕化學(xué)法刻蝕UBM層Step7:Reflowofsolderbump

焊料凸點回流電鍍焊料凸點工藝流程：StartingPoint；第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)介紹課件7.9現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展7.9.1IC、整機、市場對封裝技術(shù)的推動作用（1）IC發(fā)展對電子封裝的推動

眾所周知，反映IC的發(fā)展水平，通常都是以IC的集成度及相應(yīng)的特征尺寸為依據(jù)的。集成度決定著IC的規(guī)模，而特征尺寸則標(biāo)志著工藝水平的高低。自七十年代以來，IC的特征尺寸，幾乎每4年縮小一半。(2)電子整機發(fā)展對電子封裝的驅(qū)動電子整機的輕、薄、小型化和便攜化，高性能、多功能化、高頻高速化，使用方便、便宜且可靠性高等要求，促使微電子封裝器件由插裝型向表面貼裝型發(fā)展并繼續(xù)向薄型、超薄型、微細(xì)間距發(fā)展。7.9現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展7.9.1IC、（3）市場對電子封裝的驅(qū)動

由于電子產(chǎn)品更新?lián)Q代快，市場變化大，新的電子封裝產(chǎn)品要盡快投放市場，不但要交貨及時還要質(zhì)量好、品種多、花樣新、價格低、服務(wù)好等。歸結(jié)起來就是性能／價格比要高。近30年來，電子封裝業(yè)從DIP—SOP、QFP—BGA、MCM是電子封裝的必然發(fā)展之路，而塑封的低成本、廣泛的封裝適應(yīng)性及適于大規(guī)模自動化生產(chǎn)，再加上低應(yīng)力、低雜質(zhì)含量、高粘附強度模塑料的出現(xiàn)等，使其比金屬、陶瓷封裝具有更高的性能／價格比。所以塑封占整個電子封裝的比例高達(dá)90％以上就不足為奇了。（3）市場對電子封裝的驅(qū)動表7-2與IC安裝有關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢年份1985199019952000安裝形式單面SMTTIH和SMT混裝雙面SMTSMC、SMD雙面SMT、裸片及SMD混裝3DIC封裝形式SOP、QFPTAB、FCMCM—LMCM—CMCM—DI/O數(shù)50、100300、5001000、5000—MPU工作頻率(MHz)2550100200有機基板單面PCB、雙面PCB多層PCB6-8層PCB埋置C、R、IC陶瓷基板陶瓷、Ag／Pd導(dǎo)體陶瓷(A12O3)、Cu導(dǎo)體SiC、AlN埋置C、R、IC模塊表7-2與IC安裝有關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢年份19851997.9.2現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)發(fā)展的特點①向高密度及高I／O引腳數(shù)發(fā)展，引腳由四邊引出向面陣排列引腳發(fā)展；②向表面安裝式封裝(SMP)發(fā)展，以適合表面安裝技術(shù)(SMT)；③從陶瓷封裝向塑料封裝發(fā)展；

④從注重發(fā)展IC芯片向先發(fā)展后道封裝再發(fā)展芯片轉(zhuǎn)移。7.9.2現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)發(fā)展的特點7.9.3現(xiàn)代微電子封裝發(fā)展趨勢

①具有的I/O數(shù)將更多；

②應(yīng)具有更高的電性能和熱性能；

③將更輕、更薄、更??；

④將更便于安裝、使用、返修；

⑤可靠性會更高；⑥性能價格比會更高、成本卻更低、達(dá)到物美價廉。7.9.3現(xiàn)代微電子封裝發(fā)展趨勢第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)介紹課件第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.1概

述7.2微電子封裝的作用7.3現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的分類7.4插裝元器件封裝技術(shù)7.5表面組裝元器件封裝技術(shù)7.6球柵陣列封裝技術(shù)（BGA）7.7芯片尺寸封裝技術(shù)（CSP）7.8其它現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.9

微電子封裝技術(shù)的現(xiàn)狀第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.1概述7.1現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)概述7.1.1現(xiàn)代微電子封裝基本概念

在現(xiàn)代微電子器件制作過程中，有前道工序和后道工序之分，二者以硅圓片切分成芯片為界，在此之前為前道工序，之后為后道工序。

電子封裝（packaging）通常是在后道工序中完成的，其定義為：利用膜技術(shù)和微連接技術(shù)，將微電子器件及其它構(gòu)成要素在框架或基板上布置、固定及連接、引出接線端子，并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝。7.1現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)概述7.1.1現(xiàn)代微電子封裝基本1958年發(fā)明的第一塊集成電路，含有2個晶體管和1個電阻，掀開了微電子封裝的歷史篇章。1958年發(fā)明的第一塊集成電路，含有2個晶體管和1個電阻，掀7.1.2現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的發(fā)展歷程近50年來，封裝技術(shù)日新月異，先后經(jīng)歷了4次重大發(fā)展：20世紀(jì)70年代，為適應(yīng)中、大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，發(fā)展了雙列直插式引線封裝技術(shù)(DIP)；20世紀(jì)80年代，隨著SMC/SMD的批量生產(chǎn)，發(fā)展了表面組裝技術(shù)(SMT)；20世紀(jì)90年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，發(fā)展了球柵陣列為代表的封裝技術(shù)(BGA)；

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著多芯片組件(MCM)的開發(fā)應(yīng)用，產(chǎn)生了以系統(tǒng)封裝(SIP)為代表的最新一代封裝形式，把半導(dǎo)體封裝技術(shù)引人一個全新的時代。7.1.2現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的發(fā)展歷程近50年來，微電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢微電子封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢表7-l半導(dǎo)體微電子封裝技術(shù)的進(jìn)展七十年代八十年代九十年代2000年2005年芯片連接WB(絲焊)WBWBFC(倒裝焊)FC裝配方式DIPSMTBGA-SMTBGA-SMTBGA-SMT無源元件C-分立C-分立C-分立C-分立組合集成基板有機有機有機DCA基板SLIM封裝層次333ll元件類型數(shù)5-105-105-105-101硅效率％(芯片占基板)面積比271025>75表7-l半導(dǎo)體微電子封裝技術(shù)的進(jìn)展七十年代八十年代九十7.2現(xiàn)代微電子封裝的作用7.2.1微電子封裝技術(shù)的重要性

封裝的IC有諸多好處，如可對脆弱敏感的IC芯片加以保護，易于進(jìn)行測試，易于傳送，易于返工及返修，引腳便于實行標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)而適于裝配，還可改善IC的熱失配，等。

隨著整機和系統(tǒng)的小型化、高性能、高密度和高可靠性要求，電子封裝對系統(tǒng)的影響已變得和芯片一樣重要。封裝成本在器件總成本中所占的比重也越來越高，并有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。7.2現(xiàn)代微電子封裝的作用7.2.1微電子封裝技術(shù)的重要性7.2.2封裝的功能

微電子封裝通常有5種功能：電源分配、信號分配、散熱通道、機械支撐和保護作用。（1）電源分配

電子封裝首先要能接通電源，使芯片與電路流通電流。其次，電子封裝的不同部位所需的電源有所不同，要能將不同部位的電源分配恰當(dāng)以減少電源的不必要損耗，這在多層布線基板上更為重要。同時還要考慮接地線分配問題。7.2.2封裝的功能（2）信號分配為使電信號延遲盡可能減小，在布線時應(yīng)盡可能使信號線與芯片的互連路徑及通過封裝的I/O引出的路徑達(dá)到最短，對于高頻信號還應(yīng)考慮信號間的串?dāng)_以進(jìn)行合理的信號分配布線。（3）散熱通道各種電子封裝都要考慮器件、部件長期工作時如何將聚集的熱量散出問題。不同的封裝結(jié)構(gòu)和材料具有不同的散熱效果，對于功耗大的電子封裝還應(yīng)考慮附加熱沉或使用強制風(fēng)冷、水冷方式，以達(dá)到在使用溫度要求的范圍內(nèi)系統(tǒng)能正常工作。（2）信號分配(4)機械支撐電子封裝可為芯片和其他部件提供牢固可靠的機械支撐，還能在各種工作環(huán)境和條件變化時與之相匹配。(5)保護作用半導(dǎo)體芯片制造出來，在沒有將其封裝之前，始終都處于周圍環(huán)境的威脅之中。在使用中，有的環(huán)境條件極為惡劣，更需要對芯片嚴(yán)加保護。完成電子封裝以后，提供了對芯片的保護，這對芯片來說顯得尤為重要。(4)機械支撐7.3現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的分類7.3.1封裝分級7.3現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的分類7.3.1封裝分級7.3.2封裝分類

按安裝到PCB上的方式分為通孔插裝和表面組裝兩大類型7.3.2封裝分類7.4插裝元器件的封裝技術(shù)7.4.1概述

插裝元器件按外形結(jié)構(gòu)分類，有圓柱形外殼封裝(TO)、矩形單列直插式引線封裝(SIP)、雙列直插式引線封裝(DIP)和陣列網(wǎng)格引腳封裝(PGA)等。這些封裝的外形不斷縮小，又形成各種小外形封裝。插裝元器件按材料分類，有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝等。各類插裝元器件封裝的引腳中心距多為2.54mm，DIP已形成4～64個引腳的系列化產(chǎn)品。PGA能適應(yīng)LSI芯片封裝的要求，I/O數(shù)列達(dá)數(shù)百個。7.4插裝元器件的封裝技術(shù)7.4.1概述7.4.2SIP和DIP的封裝技術(shù)

單列直插式封裝（SIP），其引腳數(shù)為2～23個，引腳從一個側(cè)面引出，排列成一條直線。其中鋸齒型單列直插式封裝(ZIP)的管腳排列成鋸齒型，可提高管腳密度。雙列直插式封裝（DIP），其引腳數(shù)一般不超過100個，引腳從一個側(cè)面引出，并排列成兩條直線。

SIP、DIP引腳需要插入PCB的通孔內(nèi)進(jìn)行釬焊，其釬焊方法見第3章。當(dāng)裝配到PCB上時呈側(cè)立狀，故其所占的空間相對較大。7.4.2SIP和DIP的封裝技術(shù)DIP封裝的8086處理器DIP封裝的主板BIOS芯片DIP封裝的8086處理器DIP封裝的主板BIOS芯片7.4.3PGA的封裝技術(shù)陣列網(wǎng)格引腳封裝（PGA），在其底面的垂直引腳呈陣列狀排列，既可采用通孔插裝，也可采用表面貼裝。通孔插裝型PGA引腳長3～4mm，表面貼裝型PGA引腳長1.5～2mm。PGA基板多數(shù)是陶瓷，少數(shù)為環(huán)氧樹脂或塑料基板。通常，引腳中心距為2.54mm，引腳數(shù)64～447。還有一種引腳中心距為1.27mm的短引腳表面貼裝型PGA，采用碰焊方法進(jìn)行封裝。PGA的特點：（1）插拔操作更方便，可靠性高；（2）可適應(yīng)更高的頻率。7.4.3PGA的封裝技術(shù)圖7-6PGA封裝示意圖圖7-6PGA封裝示意圖7.5表面組裝元器件的封裝技術(shù)7.5.1

概述

表面組裝元器件(SMC或SMD)是SMT的基礎(chǔ)。20世紀(jì)50～60年代，出現(xiàn)了厚、薄膜混合集成電路（HIC）的安裝。對于一個復(fù)雜電子線路，難以制作大面積的平整陶瓷基板，往往采用多塊HIC的陶瓷基板安裝片式電阻、電感及晶體管、IC芯片，再拼裝成大塊的基板，這就使HIC的體積、重量、成本、可靠性及生產(chǎn)效率受到很大限制。

20世紀(jì)60年代，荷蘭菲利普公司研制出紐扣狀I(lǐng)C，其引腳分布在封裝體的兩邊并呈海鷗翼狀，引腳中心距為1.27mm時可達(dá)28～32只引腳，他們采用表面安裝方式生產(chǎn)電子表。這種封裝結(jié)構(gòu)后來發(fā)展成為小外形封裝

IC(SOP)。7.5表面組裝元器件的封裝技術(shù)7.5.1

概述7.5.2

主要SMD的封裝技術(shù)1、

SOP/SOIC封裝

SOP即小外形封裝，以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外形集成電路）等。7.5.2

主要SMD的封裝技術(shù)2.芯片載體封裝

芯片載體(chipcarrier)或quad的封裝，四邊都有管腳，對高引腳數(shù)器件來說是較好的選擇。如LCC(leadchipcarrier)，LLCC(leadlesschipcarrier)用于區(qū)分管腳類型。PLCC(plasticleadedchipcarrier)是最常見的塑料四邊封裝。2.芯片載體封裝3.四側(cè)引腳扁平封裝

四側(cè)引腳扁平封裝（QFP），或稱為四方扁平封裝，引腳從四個側(cè)面引出呈海鷗翼狀或J型等。該技術(shù)實現(xiàn)的CPU芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般都在100以上。3.四側(cè)引腳扁平封裝QFP封裝具有以下特點：（1）封裝CPU時操作方便，可靠性高；（2）封裝外形尺寸較小，寄生參數(shù)減小，適合高頻應(yīng)用；（3）適合用SMT表面組裝技術(shù)在PCB上安裝布線QFP封裝具有以下特點：7.6球柵陣列封裝技術(shù)(BGA)7.6.1

BGA的基本概念、特點和封裝類型

BGA封裝方式是在管殼底面或上表面焊有許多球狀凸點，通過這些焊料凸點實現(xiàn)封裝體與基板之間互連的一種先進(jìn)封裝技術(shù)。7.6球柵陣列封裝技術(shù)(BGA)7.6.1

BGA的基BGA封裝具有以下特點：

（1）I/O數(shù)較多；（2）提高貼裝成品率，降低成本；

（3）BGA陣列焊球與基板的接觸面大、短，有利于散熱；

（4）BGA陣列焊球的引腳很短，縮短了信號的傳輸路徑，減小引線電感、電阻，改善了電路的性能；

（5）明顯地改善了I/O端的共面性，極大地減小了組裝過程中因共面性差而引起的損耗

；（6）BGA適用于MCM封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)MCM的高密度、高性能；

（7）BGA和μBGA都比細(xì)節(jié)距的腳形封裝的IC牢固可靠。BGA封裝具有以下特點：BGA封裝技術(shù)又可分為5大類：

（1）PBGA（plasticBGA）基板：一般為2～4層有機材料構(gòu)成的多層板（Intel系列CPU中，PentiumII，III，IV處理器均采用這種封裝形式）（2）CBGA（ceramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（FlipChip，簡稱FC）的安裝方式（Intel系列CPU中，PentiumII，III，IV處理器均采用這種封裝形式）；（3）FCBGA（flipchipBGA）基板：硬質(zhì)多層基板；

（4）TBGA（tapeBGA）基板：基板為帶狀軟質(zhì)的1-2層PCB電路板；

（5）CDPBGA（caritydownPBGA）基板：指封裝中央有方形低陷的芯片區(qū)（又稱空腔區(qū)）。

BGA封裝技術(shù)又可分為5大類：7.6.2

BGA的封裝技術(shù)BGA主要結(jié)構(gòu)分為三部分：主體基板、芯片和封裝7.6.2

BGA的封裝技術(shù)BGA主要結(jié)構(gòu)分為三部分：主體7.7芯片尺寸封裝技術(shù)（CSP）芯片尺寸封裝技術(shù)CSP(chipsizepackage)，它減小了芯片封裝外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封裝尺寸就有多大。封裝后的IC尺寸邊長不大于芯片的1.2倍，IC面積只比晶粒尺寸不超過1.4倍。CSP封裝具有以下特點：

（1）組裝面積小，約為相同引腳數(shù)QFP的1/4；

（2）高度小，可達(dá)1mm；

（3）易于貼裝，球中心距為0.8mm和1mm時，貼裝公差≤±0.3mm；

（4）電性能好、阻抗低、干擾小、噪聲低、屏蔽效果好；

（5）高導(dǎo)熱性。7.7芯片尺寸封裝技術(shù)（CSP）芯片尺寸封裝技術(shù)C圖7-14CSP與QFP、BGA的外形比較圖7-14CSP與QFP、BGA的外形比較CSP封裝可分為四類：

（1）LeadFrameType(傳統(tǒng)導(dǎo)線架形式)，引線框架式CSP是由日本的Fujitsu公司研制開發(fā)的一種芯片上引線的封裝形式,因此也被稱之為LOC(LeadOnChip)形CSP。通常情況下分為Tape-LOC型和MF-LOC型(Multi-frame-LOC)兩種形式,其基本結(jié)構(gòu)如圖7-14所示。CSP封裝可分為四類：（2）剛性基板封裝（RigidSubstrateInterposer）由日本Toshiba公司開發(fā)的這類CSP封裝,實際上是一種陶瓷基板薄型封裝。它主要由芯片、氧化鋁基板、銅（Au）凸點和樹脂構(gòu)成。通過倒裝焊、樹脂填充和打印3個步驟完成。它的封裝效率（芯片與基板面積之比）可達(dá)到75％，是相同尺寸的

TQFP的2.5倍。（3）柔性基板封裝（FlexCircuitInterposer）由美國Tessera公司開發(fā)的這類CSP封裝的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由IC芯片、載帶（柔性體）、粘接層、凸點（銅/鎳）等構(gòu)成。載帶是用聚酰亞胺和銅箔組成。它的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，安裝方便，可利用原有的TAB（TapeAutomatedBonding）設(shè)備焊接。（2）剛性基板封裝（RigidSubstrateInte（4）圓片級CSP封裝（Wafer-LevelPackage）由ChipScale公司開發(fā)的此類封裝。它是在圓片前道工序完成后，直接對圓片利用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行后續(xù)組件封裝，利用劃片槽構(gòu)造周邊互連，再切割分離成單個器件。WLP主要包括兩項關(guān)鍵技術(shù)即再分布技術(shù)和凸焊點制作技術(shù)。它有以下特點：①相當(dāng)于裸片大小的小型組件（在最后工序切割分片）；②以圓片為單位的加工成本（圓片成本率同步成本）；③加工精度高（由于圓片的平坦性、精度的穩(wěn)定性）。

（4）圓片級CSP封裝（Wafer-LevelPackag7.8其它現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.8.1

多芯片封裝技術(shù)

為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上用SMD技術(shù)組成多種多樣的電子模塊系統(tǒng)，從而出現(xiàn)MCM(multichipmodel，多芯片模塊系統(tǒng))，它是電路組件功能實現(xiàn)系統(tǒng)級的基礎(chǔ)。7.8其它現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)7.8.1

多芯片封裝技術(shù)MCM具有以下特點：（1）封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)模塊高速化；

（2）縮小整機/模塊的封裝尺寸和重量；

（3）系統(tǒng)可靠性大大提高。

MCM具有以下特點：7.8.2

圓片級封裝技術(shù)（WaferLevelChipSizePackageTechnology）圓片級封裝技術(shù)是以圓片為加工對象，直接在圓片上同時對眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測試，其封裝的全過程都在圓片生產(chǎn)廠內(nèi)運用芯片的制造設(shè)備完成，使芯片的封裝、老化、測試完全融合在圓片生產(chǎn)流程之中。封裝好的圓片經(jīng)切割所得到的單個IC芯片，可直接貼裝到基板或印制電路板上。7.8.2

圓片級封裝技術(shù)（WaferLevelCh圓片級封裝成本低。第一，它是以批量生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造的；第二，圓片級封裝生產(chǎn)設(shè)施的費用低，因為它充分利用了圓片的制造設(shè)備，無須投資另建封裝生產(chǎn)線；第三，圓片級封裝的芯片設(shè)計和封裝設(shè)計可以統(tǒng)一考慮、同時進(jìn)行，這將提高設(shè)計效率，減少設(shè)計費用；第四，圓片級封裝從芯片制造、封裝到產(chǎn)品發(fā)往用戶的整個過程中，中間環(huán)節(jié)大大減少，周期縮短很多，這必將導(dǎo)致成本的降低。此外，應(yīng)注意圓片級封裝的成本與每個圓片上的芯片數(shù)量密切相關(guān)。圓片上的芯片數(shù)越多，圓片級封裝的成本也越低。圓片級封裝成本低。第7章現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)介紹課件CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC，如內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品。未來則將大量應(yīng)用在信息家電、數(shù)字電視、電子書、無線網(wǎng)絡(luò)、ADSL／手機芯片、藍(lán)牙（Bluetooth）等新興產(chǎn)品中。

CSP封裝適用于腳數(shù)少的IC，如內(nèi)存條和便攜電子產(chǎn)品圓片級封裝主要采用薄膜再分布技術(shù)、凸點技術(shù)等兩大基礎(chǔ)技術(shù)。前者用來把沿芯片周邊分布的鋁焊區(qū)轉(zhuǎn)換為在芯片表面上按平面陣列形式分布的凸點焊區(qū)。后者用于在凸點焊區(qū)上制作凸點，形成焊球陣列。1.薄膜再分布技術(shù)

薄膜再分布技術(shù)是指在IC圓片上，將各個芯片按周邊分布的I/O鋁焊區(qū)，通過薄膜工藝的再布線，變換成整個芯片上的陣列分布焊區(qū)并形成焊料凸點的技術(shù)。圓片級封裝主要采用薄膜再分布技術(shù)、凸點技術(shù)等

薄膜再分布技術(shù)的具體工藝過程比較復(fù)雜，而且隨著IC芯片的不同而有所變化，但一般都包含以下幾個基本的工藝步驟：①在IC圓片上涂復(fù)金屬布線層間介質(zhì)材料；②沉積金屬薄膜并用光刻方法制備金屬導(dǎo)線和所連接的凸點焊區(qū)。IC芯片周邊分布、小至幾十微米的鋁焊區(qū)就轉(zhuǎn)成陣列分布的幾百微米大的凸點焊區(qū)，且鋁焊區(qū)和凸點焊區(qū)之間有金屬導(dǎo)線相連接；③在凸點焊區(qū)沉積UBM(